基于移动闭塞方式下的列车定位技术教材

1、基于移动闭塞方式下的列车定位技术 小组成员： 黄钊 王帆 谢桀 杨立彪 第十五组 基于移动闭塞方式下的列车定位技术 随着科技和时代的发展， 城市轨道交通的闭塞方式也逐步由固定闭塞方式发 展到移动闭塞方式，这也对列车的定位，测速，通信等提出了更高的要求。城市 轨道交通系统中列车实时、 精确的定位不仅能够保证车辆的行车安全性， 还可以 使列车追踪间隔小， 适应大客流重型轨道交通， 并且维护费用低等等， 最终实现 地铁系统在保障乘客安全性的前提下运送更多乘客的目的。 一列车定位技术的分类及其发展现状 列车定位技术从设备安装的位置上可分为： 轨旁型， 车站型和车载型。 从闭 塞区间的移动性上可分为：

2、固定闭塞型， 准移动闭塞型和移动闭塞型。 从采取的 定位方法上可分为：编码里程仪、轨道电路、信标（应答器） 、裂缝波导、交叉 电缆环线和无线扩频等。 发展现状：目前，闭塞方式已经发展到移动闭塞，传统的轨道电路，信标， 编码里程仪等方式逐步不再适应， 而且随着信息和通信技术的发展， 各种以信息 技术和通信技术为基础的新一代列车定位技术开始发展起来并在初步应用上取 得一定成功。国外通信行业的一些大公司在开发自己的 ATC系统时都推出并采用 了自己独特的定位技术，比如加拿大阿尔卡特公司的基于交叉感应环线定位技 术，美国 GE公司的基于无线电台通信定位技术， 法国阿尔斯通公司的基于裂缝波 导管无线传输

3、技术，德国 HHARMO公N司的基于无线扩展频谱通信技术。 1. 基于交叉感应环线技术 以敷设在钢轨间的交叉感应环线作为传输媒介的 CBTC系统，在城市轨道交 通中已应用了较长时间。 交叉感应环线的缺点在于， 安装在钢轨中间， 安装困难 且不方便工务部门对钢轨的日常维修， 车地通信的速率较低。 但由于环线具有成 熟的使用经验，寿命长以及投资少等优点，目前仍继续得到应用。 下图为广州地铁线路图，其中橙色部分为 3号线线路图，主线为番禹广场站 至天河客运站， 体育西路至机场为 3号线支线。广州地铁 3号线采用了基于交叉感 应环线技术的移动闭塞方式， 沿轨道方向铺设感应环线， 通过感应环线来实现车

4、地通信，完成对列车的定位和测速。以此调整列车运行。 2 . 基于无线电台通信技术 随着无线通信技术的发展， 基于自由空间传输的无线通信技术在 CBTC系统 中得到了应用。无线的频点一般采用共用的 2.4GHz或 5.8GHz频段，采用接入点 （ AP）天线作为和列车进行通信的手段， AP 的设置要求保证区间的无线重叠覆 盖，自由空间传输的无线具有自由空间转播， 对车载设备的安装位置限制少。 传 输速率高，实现空间的无线重叠覆盖， 单个接入设备故障不影响系统的正常工作。 轨旁设备少，安装与钢轨无关，方便安装以及维护的特点。 基于无线电台通信传输方式的 CBTC系统，目前已在北京地铁 10 号线得

5、 到成功应用。下图所示为北京地铁 10 号线一期工程路线示意图，已在 2008 年 7 月实现通车。一起线路起点为海淀区巴沟路巴沟站，向东至三元桥站转 向南部至终点站劲松站。全线首次采用基于无线电台通信的移动闭塞方式， 具有较高的列车定位精度，依据列车速度曲线实现精准定点停车。有效缩短 了发车时间间隔，提高运行效率。 10 号线二期工程将联通巴沟站和劲松站， 构成环形线路，预计今年年底将投入运营。 3. 基于裂缝波导管无线传输技术 采用波导系统作为车地双向传输媒介，采用沿线铺设的裂缝波导及与波 导连接的无线接入点作为轨旁与列车的双向传输通道。 该系统的波导系统具有通 信容量大，可在隧道及弯曲通

6、道中传输， 干扰及衰耗小， 无其他车辆引起的传输 反射，可在密集城区传输等特点。 波导的另一个优点是传输速率大， 可满足列车 控制系统的需要。 波导的缺点在于安装困难， 需要全线安装波导管， 安装维护复 杂且造价较高。 北京地铁 2 号线，机场线均采用裂缝波导管传输技术。 下图所示为北京地铁机场线线线路图。 机场线起点为东直门， 经三元桥终点 站分别为国际机场和 3 号航站楼，东直门至三元桥段为地下线路， 出四环后进入 地面线路。 线路采用基于裂缝波导管无线传输的移动闭塞方式， 以裂缝波导为信 息传输媒介， 实现列车与地面的实时双向通信， 并对列车进行高精度定位。 在满 足高速，安全快捷的同时

7、，实现高频率发车，提高运输效率。 4. 基于无线扩展频谱通信技术 基于无线扩展频谱的通信技术的 ATC系统时利用车站， 轨旁，和列车上的 扩频电台， 一方面通过这些电台在列车和控制中心之间传递安全信息， 另一方面 也利用他们对列车进行定位。列车的位置是通过接收轨旁电台的信号计算出来 的。 交叉感应环线定位技术原理剖析 1. 定位系统结构 基于交叉感应环线的 ATC定位系统从结构上可分为车载定位设备和地面定位 设备两部分，车载定位设备主要包括车轴上的测速电机， 信号接收感应器， 车载 ATP计算机，车地通信设备等。 地面设备即铺设在轨道下方的感应电缆， 中继器。 由车载设备和地 面设备组合起来

8、共同建立一个列 车位置信息数据 库，车载ATP计算 机接受数据库的 信息并计算列车 实时位置和速度 等参数，在经过 道岔，曲线时， 结合车轴上的测 并将信息通过车地通信 速电机所传来的信息对列车速度和距离等信息进行修正， 设备传输给地面 ATP设备。列车的定位精度由环线交叉点数量，测速电机精度等 确定，列车向地面 ATP报告的位置由 列车实测位置 ，列车前端位置，列车后端位 置组成。（如上图所示）。控制中心设备、 轨间设备联系用控制中心和沿线设置的 若干个中继器两级控制方式来实现的。中继器是控制中心与轨间电缆的中间环 节，它的功能是把控制中心的命令通过轨间电缆传递给机车， 将机车信息传输给 控

9、制中心，控制中心与轨间电缆之间的信息交换，包括频率变换、电平变换、功 率放大等都是通过中继器来完成的。一个中继器最多可控制 128个电缆环路。 2. 定位原理 在轨道中央沿轨道方向铺设两根感应环线电缆，电缆由铜绞线和外部的绝 缘与非屏蔽保护层组成， 这些电缆在轨旁环线通信设备中作为信号的接收和发射 天线，与列车上的接收和发射天线实时通信， 电缆每隔25米进行一次交叉， 在轨 间电缆激励端输入某一频率的信号， 列车上的车载信号装置就会接收到同频率的 信号（如上图所示），而且列车所接收到的的信号幅值和相位将会随列车位置的 改变而改变， 当列车行经电缆的交叉点时， 列车上车载信号装置所接收到的信号

10、相位就会发生变化，通过检测车载信号接收装置所接收到的信号相位变化次数， 就可以计算出列车位置。 下图所示的是车站控制设备与列车间通过感应环线的信息交换。 列车在轨道 上行驶，车载信号装置接收来自感应环线的信号， 并以此计算自身位置， 速度等 参数，同时感应环线作为信号接收装置也接收列车信号并将列车速度， 位置等信 息通过轨旁接口传输回车站控制中心的有关设备， 其中中继器作为轨旁接口的一 个关键设备，每个中继器都负责轨道上的一段区间，区间长度为 128 * 25 = 3200 m。轨道上的前车与后车通过车站控制中心设备交换信息，以此来调整列车运行 曲线。 列车运行具体未知的确定是通过地址码来实现

11、的， 通常用 14位电码结构来表示列 车的位置信息。 其中最高位为列车运行方向码， 第1113位为对应中继器的代码， 第 410位为表示列车处于具体环路的粗地址码， 当列车每驶过一个交叉点时， 利 用信号相位的变化，粗地址码就会加1，第 13位为细地址码，当列车每驶过 25m1/8，细地址码就会加 1。当控制中心接收到地址码后，通过解码就会确定 列车的具体位置。 例如： 控制中心收到的地址码为 0 100 0001011 010 解码： 列车下行方向： 0 中继器代码： 100 （10进制为 4） 粗地址码： 0001011 （10进制为 11），列车处于第 11环路 细地址码： 010 （1

12、0进制为 2）， 列车处于 25 * 1/8 * 2 =6.25m 处 最终定位为： 25 * 128 *4 + 25 * 11 + 25 * 1/8 * 2 = 13081.25m 三裂缝波导定位技术原理浅析 1. 定位系统结构 基于裂缝波导定位系统， 其结构由微波 裂缝波导 ，波导信息网络 ，波导信息网基 站，波导信息网移动站， 通信单元 等部分组成。 下图为裂缝波导管示意以及其传输方式示意图， 裂缝波导是个中空的铝制矩 形管，在其顶部等间隔开有窄缝， 使得在品范围内的微波均匀辐射， 在波导上方 的适当位置可以接收波导裂缝辐射的信号，接收器通过采集处理信号得到数据。 裂缝波导集信号发射，接

13、收，传输功能于一体，信号在裂缝波导内部传输，同时 由波导裂缝发射出去， 列车信号接收装置接收到由裂缝辐射出去的信号时， 裂缝 波导也接受到列车的信号并传回轨旁 ATP/ATO。 波导信息网基站一般位于离波导不远的地方，主要由下列设备构成：无源滤 波器，无限调制解调器，裂缝波导检测载波发生器，耦合器电源等组成，它是组 成波导信息网络单元最基本的部分，是车载移动站进行车地通信的工作站。 下图所示的是波导信息网结构图， 它包括波导信息网基站， 列车上的波导信 息网移动站， 轨旁ATP/ATO。轨旁 ATP/ATO之间通过区间链路联系起来， 当列车行 经轨道时， 列车上的信号接收装置接收到来自波导裂缝

14、的信号， 记录裂缝数目由 波导信息网移动站计算出列车速度， 位置等信息并传回波导信息网基站， 由波导 信息网基站在传输到轨旁 ATP。轨道上前车与后车通过与轨旁 ATP的信息交互， 并 以此调整列车运行。 列车两端的驾驶室各有一台波导信息网移动站，包括车载无线电台，车载ATP设 备，信标接收天线， 车载计算机等， 作为移动工作站， 主要负责：无线网络连接， 获得位置信息，列车速度计算，控制区交界通信，与车站计算机交换信息，数据 记录及处理等。 通信单元主要由裂缝波导，波导同轴变换器，同轴电缆，波导信息网基站， 轨旁ATP，区间链路与沿线设备共同组成的一个无线和有线相结合的通信网络。 下图为通信

15、单元的结构示意图，包括轨旁 ATP/ATO所负责区段内的裂缝波导，本 区段内的波导信息网基站， 上一波导信息网基站和下一波导信息网基站， 以及联 结轨旁ATP/ATO之间的区间链路。 相邻两波导信息网基站之间的间隔为 800米，以 满足信息网基站服务范围重叠和行车间距适配。 2. 定位原理 基于裂缝波导定位系统，采用沿轨道铺设裂缝波导的方式，以波导信息 网络，无线扩频电台为基础，采用 TDMA(Time Division Multiple Access )多 址通信方式，有线与无线相结合， 以实现列车与轨旁设备连续的双向通信及列车 定位功能。裂缝波导是基础核心元件之一， 当列车运行时， 位于列

16、车上的车载信 号接收天线将会接收到来自波导裂缝所辐射的信号并记录所检测的裂缝数目， 通 过裂缝数目来计算列车位置，具体的计算原理如下： 列车行驶距离 = 波导裂缝间距 * 相对起始点开始所检测的裂缝数目 四未来定位技术发展趋势及前景展望 基于移动闭塞方式下的 ATC系统及其定位方式，由其发展历程可看出逐步显 现出以下趋势： 1. 列车定位对精度要求越来越高。 2. 随着通信技术的发展，列车定位要求大容量，高频率车地信息传输。 3. 设备集成越来越高，逐步减少对轨旁设备的依赖 4. 网络化。地面局域网， 广域网，车地之间的无线通信网将轨道交通的控制 中心，车站，列车连接成一个有机整体，使指挥中心

17、能灵活的处理各种情况，合 理的统一调度和配置资源，保证系统的安全，高效运行。 5. 智能化。使指挥调度根据系统实际情况， 借助先进的计算机控制技术及时 自动调整列车运行，使整个轨道交通系统运营达到最优化并降低人工劳动强度。 6. 信息化。能迅速，准确获得轨道交通运营管理的实时信息， 在保证系统安 全，高效运行的同时，大大提高旅客服务水平。 7. 通信信号一体化，整个轨道交通系统中通信与信号的界线逐步发展为一体 化。 在前面所提到的各种列车定位技术各地的城市轨道交通中都得到了一定程度上 的应用，但是考虑造价，维修等诸多方面的因素，也各有优缺点，下面我们通过 一个表格来做一个各项指标对比并就发展潜

18、力做出评估： 优点 缺点 发展潜力 交叉感应环线 技术 使用寿命长，投资较 少，技术成熟 维修不便，车地通 信速率较低 目前已成熟应用， 逐步不适应定位 技术发展方向 无线电台通信 设备集成度高，轨旁 设备少，维修方便， 信号频段接近公用 信号频段，易受干 设备集成度高，智 能化程度有更好 技术 传输速率高，对车载 设备安装位置限制 少 扰（例如深圳 Wifi 信号逼停地铁） 提升空间，发展潜 力好 裂缝波导无线 传输技术 满足高速率，大容量 车地通信，抗干扰能 力强，信号衰耗小 需全线铺设裂缝波 导管，工程量大， 安装困难，造价较 高 不适应发展趋势， 不看好发展前景 无线扩展频谱 通信技术 专用TDMA网信号频 段，抗干扰能力强， 控制车站扩频信号 重叠，单个设备故障 不影响系统运行 车地